多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合中高度跳變問題的研究策略分析

1、多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合中高度跳變問題的研究策略分析本文選自數(shù)字通信2014年第2期，版權(quán)歸原作者和期刊所有。0引言萊斯自動化系統(tǒng)作為一個(gè)先進(jìn)的多雷達(dá)信號跟蹤與航跡融合處理的信息平臺，是空管監(jiān)視系統(tǒng)的核心。由于多雷達(dá)交叉覆蓋存在盲區(qū)，導(dǎo)致2架飛機(jī)進(jìn)入盲區(qū)后，因地理位置重疊，造成系統(tǒng)主選高度跳變。針對此類現(xiàn)象，著重探討了以信號質(zhì)量為加權(quán)因子，實(shí)施動態(tài)加權(quán)融合的方法；增加盲區(qū)掃描限制數(shù)以擴(kuò)大盲區(qū)篩選條件；改進(jìn)已有航跡的濾波算法等3種方案。最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對航跡不間斷地跟蹤與融合，避免類似故障重復(fù)產(chǎn)生。1高度跳變現(xiàn)象2013-08-30 T09：21，CSZ9818航班（實(shí)際高度9 780 m）與CSN6389

2、航班（實(shí)際高度8 410 m）于A588航路同向飛行，地理坐標(biāo)相同，高度差為1 400 m。在第29 s時(shí)，CSZ9818航班高度由9 780 m跳變?yōu)? 410 m，而后二者之間發(fā)生短期沖突告警，在09：22：58時(shí)，CSZ9818航班高度恢復(fù)正常，告警消失。具體狀況，通過回放系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄和雷達(dá)質(zhì)量監(jiān)視記錄，重現(xiàn)當(dāng)時(shí)發(fā)生的情況，獲得雷達(dá)原始信息，其高度跳變數(shù)據(jù)分析如表1所示。在時(shí)間標(biāo)識為07：29：39時(shí)，CSZ9818航班已進(jìn)入Selex雷達(dá)盲區(qū)，萊斯自動化系統(tǒng)只能調(diào)用Raytheon雷達(dá)為主選高度；而時(shí)間標(biāo)識為07：29：44時(shí)，長春4號雷達(dá)高度數(shù)據(jù)開始跳變；當(dāng)時(shí)間標(biāo)識為07：29：59

3、時(shí)，目標(biāo)已經(jīng)進(jìn)入Raytheon雷達(dá)和Raytheon單二次雷達(dá)的盲區(qū)，自動化系統(tǒng)之前顯示的高度9 780 m與主用的長春4號雷達(dá)顯示數(shù)據(jù)8 410 m相比，高度差達(dá)到1 370 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過萊斯自動化系統(tǒng)允許的最大變化高度差，因此系統(tǒng)高度仍為9 780 m。在以后的連續(xù)2個(gè)更新周期內(nèi)，仍確認(rèn)高度差大于300 m，系統(tǒng)航跡高度變?yōu)? 410 m，系統(tǒng)完成第一次跳變。當(dāng)時(shí)間標(biāo)識為07：31：22時(shí)，長春4號雷達(dá)信號消失，只有Raytheon單二次雷達(dá)有該目標(biāo)信息。由于CSZ9818航班位于Raytheon單二次雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)，長春4號雷達(dá)數(shù)據(jù)保留了一個(gè)周期，而后在連續(xù)2個(gè)更新周期內(nèi)，長春4號雷達(dá)信號

4、丟失，系統(tǒng)只能以Raytheon單二次雷達(dá)為主用。由于長春4號雷達(dá)與Raytheon單二次雷達(dá)記錄的高度數(shù)據(jù)大于300 m，系統(tǒng)航跡高度仍保持為8 410 m，直至?xí)r間標(biāo)識為07：31：27時(shí)，大連Raytheon雷達(dá)信號才顯示目標(biāo)出現(xiàn)，高度差消失，系統(tǒng)選用Raytheon單二次雷達(dá)為主選高度，第二次跳變結(jié)束。此后，Raytheon單二次雷達(dá)目標(biāo)消失，鑒于大連Raytheon雷達(dá)信號穩(wěn)定，所以選擇大連Raytheon雷達(dá)作為主用，系統(tǒng)恢復(fù)正常。2原因分析該故障現(xiàn)象的產(chǎn)生原因：CSZ9818航班先后進(jìn)入Selex雷達(dá)、Raytheon雷達(dá)和Raytheon單二次雷達(dá)盲區(qū)，萊斯自動化系統(tǒng)被動選取長

5、春4號雷達(dá)為主用，但最大變化高度差超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的變化范圍【1】，造成自動化系統(tǒng)航跡高度變化遲滯。而主用的長春4號雷達(dá)的信號不穩(wěn)定，在沒有其它雷達(dá)形成對CSZ9818航班交叉覆蓋的情況下，造成航跡中斷。即便CSZ9818航班一度脫離了Raytheon單二次雷達(dá)頂空盲區(qū)，恢復(fù)在該雷達(dá)上的航跡高度，同樣因高度差超過自動化系統(tǒng)容限而無法恢復(fù)正常值。其后，目標(biāo)進(jìn)入大連Raytheon雷達(dá)覆蓋的空域，形成連續(xù)穩(wěn)定的信號，高度差消失，系統(tǒng)才正常工作?；诶走_(dá)交叉覆蓋的有限功能，只能對自動化系統(tǒng)做出改進(jìn)。3解決方案3.1動態(tài)加權(quán)平均融合假設(shè)共有P部雷達(dá)，各雷達(dá)對同一目標(biāo)進(jìn)行跟蹤獲得的航跡數(shù)據(jù)均放在同一個(gè)

6、坐標(biāo)系下，經(jīng)時(shí)空對準(zhǔn)后，第k部雷達(dá)（k=1，2，…，p）在相同時(shí)刻ti（i=1，2，…，N）的方位、距離分別為Rki，θki。以各雷達(dá)輸出航跡數(shù)據(jù)的中心點(diǎn)為目標(biāo)真實(shí)位置的參考點(diǎn)【2】，此中心點(diǎn)應(yīng)位于雷達(dá)盲區(qū)邊緣。各雷達(dá)輸出航跡的距離和方位精度分別為σRk，σθk。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，可計(jì)算出各雷達(dá)航跡位置與中心點(diǎn)的偏差ΔRki，Δθki；相應(yīng)偏差的均值ΔRk，Δθk；各雷達(dá)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差σRk，σθk，最后可求得各雷

7、達(dá)輸出航跡的距離和方位的權(quán)值。此方案以各雷達(dá)信號質(zhì)量動態(tài)評估分值作為加權(quán)因子，根據(jù)信號質(zhì)量進(jìn)行權(quán)值分配。信號質(zhì)量好的雷達(dá)分配權(quán)值較大，反之則較小。針對上述故障現(xiàn)象，在具體應(yīng)用中，以位于盲區(qū)邊緣的航跡中心點(diǎn)為初選條件，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入某部雷達(dá)盲區(qū)時(shí)，該雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)在進(jìn)行多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合時(shí)需降低其權(quán)重。3.2增大盲區(qū)篩選條件雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的前提是進(jìn)行多雷達(dá)跟蹤，其核心為系統(tǒng)航跡的平滑過濾和外推預(yù)測。在系統(tǒng)航跡終止前，航跡處理和多雷達(dá)跟蹤至少應(yīng)進(jìn)行46次外推預(yù)測，如圖1所示。一般航跡處理是在第3個(gè)點(diǎn)跡丟失時(shí)執(zhí)行航跡終止，第4個(gè)周期已經(jīng)沒有該飛機(jī)標(biāo)牌，從第5個(gè)掃描周期點(diǎn)跡恢復(fù)，航跡起始，至第7個(gè)周期航跡形成。

8、就一般情況而言，多雷達(dá)跟蹤則是從第4個(gè)多雷達(dá)跟蹤周期開始，將系統(tǒng)航跡外推3個(gè)周期，從第7個(gè)周期航跡信號恢復(fù)，結(jié)束多雷達(dá)跟蹤外推。在航跡處理和多雷達(dá)跟蹤外推的6個(gè)掃描周期里，如果飛機(jī)下降率為30 m/周期，則高度跳變?yōu)?80 m。當(dāng)飛機(jī)飛越雷達(dá)天線的頂空盲區(qū)時(shí)，通常需要10個(gè)周期（或更多次掃描周期）才能恢復(fù)航跡起始，因此高度跳變值可達(dá)到300 m以上。高度跳變值的大小，取決于二次雷達(dá)天線上方靜默錐形體的大小及飛機(jī)的實(shí)際高度。因此，必須增大目標(biāo)進(jìn)入盲區(qū)后的篩選條件，即擴(kuò)大該區(qū)域的掃描限制數(shù)不小于10。以保證目標(biāo)在雷達(dá)盲區(qū)的高度值保持較大范圍的連續(xù)變化，則自動化系統(tǒng)判斷該目標(biāo)可信，從而不降低目標(biāo)高度

9、值的可信度。但必須明確：針對飛機(jī)的不同高度，頂空盲區(qū)的掃描限制數(shù)也應(yīng)有差別，而這一點(diǎn)主要應(yīng)依據(jù)該盲區(qū)內(nèi)航線許可的高度及垂直間隔而定【4】。3.3采用先進(jìn)濾波算法增加信息依據(jù)已知數(shù)據(jù)融合的前提條件是：在多雷達(dá)同時(shí)工作的情況下，必須具備公共覆蓋區(qū)域，否則，無論對于集中式融合系統(tǒng)，還是分布式融合系統(tǒng)，均不能執(zhí)行點(diǎn)跡或航跡融合。由故障現(xiàn)象可知，飛機(jī)相繼進(jìn)入3部雷達(dá)盲區(qū)，只有1部雷達(dá)顯示航跡，已不具有公共覆蓋區(qū)域，也就不能進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合。在此種狀態(tài)下，只能依據(jù)原有的航跡，在單部雷達(dá)上進(jìn)行2點(diǎn)外推預(yù)測。鑒于增加雷達(dá)多重覆蓋的難度，只能考慮增加雷達(dá)多個(gè)先前掃描周期的綜合航跡數(shù)據(jù)，作為信息依據(jù)

10、或橫向比較條件。而簡單的2點(diǎn)或3點(diǎn)外推濾波，既沒有考慮目標(biāo)運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)特性，也沒有考慮測量系統(tǒng)引進(jìn)的誤差，其濾波結(jié)果僅與最近2個(gè)時(shí)刻的測量值有關(guān)，無記憶功能，因而精度較差，不能作為自動化系統(tǒng)判別的信息依據(jù)。而卡爾曼濾波運(yùn)算量較大，實(shí)時(shí)跟蹤能力有限，需要將其簡化為常增益?？紤]到民航飛機(jī)做大角度機(jī)動飛行的情況較少，勻速運(yùn)動較多，因此，α-β濾波算法成為首選。該算法核心是在進(jìn)行位置和速度估值時(shí)，以恒定權(quán)值α和β對相關(guān)量進(jìn)行加權(quán)。為保證跟蹤穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)對一定的穩(wěn)態(tài)誤差和暫態(tài)誤差的要求，適當(dāng)選取α和β。系數(shù)α和β的確定，在數(shù)學(xué)意義上取決于系統(tǒng)機(jī)動指標(biāo)，不過，機(jī)動指標(biāo)中有多個(gè)參數(shù)極難得出。因此，在工程實(shí)際中，采用與采樣時(shí)刻K有關(guān)的計(jì)算方法，如式（3）所示。α=2（2K-1）K（K+1）4結(jié)論依照上述解決方案，調(diào)整了多雷達(dá)融合處理方式，在萊斯自動化系統(tǒng)軟件上進(jìn)行了針對性的升級，并將新軟件應(yīng)用于測試平臺，經(jīng)過2天測試，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。09-05T 21：30，將升級后的軟件應(yīng)用于主用系統(tǒng)中觀察，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)準(zhǔn)確，類似故障現(xiàn)象未再出現(xiàn)，該類問題得到解決，證明上述方案的正確性。參考文獻(xiàn)：【1】中國民用航空總局.MH/T40102006，空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備技術(shù)